Условия работы электродвигателей оценивают посредством эксплуатационных коэффициентов включения и загрузки. Коэффициент включения станка
где ∑tр — суммарное время работы за смену; Т — время смены; ∑t0 — суммарное вспомогательное время и время перерывов в работе.
Большинство современных станков останавливают путем отключения электродвигателя от сети. В этих условиях коэффициенты включения станка и электродвигателя совпадают. У станков с фрикционной муфтой в цепи главного движения электродвигатель обычно непрерывно вращается. Его отключают только при длительных перерывах в работе.
Если считать, что при различных условиях работы универсального станка ∑tр может принимать любые значения (от 0 до T) и что все значения ∑tр в указанных пределах равновероятны, то
Степень загрузки станков характеризуется коэффициентом загрузки
где Рср — средняя мощность на валу электродвигателя; Рн — номинальная мощность электродвигателя.
Если все нагрузки универсальных станков, работающих в различных условиях, равновероятны, средняя мощность
Например, при часто встречающемся соотношении Рх.х = 0,2Рн имеем γср = 0,6.
Произведение коэффициента включения на коэффициент загрузки называют коэффициентом использования электродвигателя:
где Aраб — механическая энергия, фактически отданная электродвигателем станку; Ан — энергия, которая была бы отдана при непрерывной работе электродвигателя с номинальной мощностью.
При приведенных выше средних значениях коэффициентов включения и загрузки получим бср = 0,3.
Отношение энергии, использованной на обработку деталей, к той энергии, которую станок мог бы использовать в случае непрерывной работы его с номинальной нагрузкой, называют коэффициентом использования станка:
Действительные средние значения коэффициентов включения и загрузки электродвигателей, приводящих в движение металлорежущие станки, меньше указанных. Это говорит о преобладании работы с малыми нагрузками и значительным вспомогательным временем.
Значения эксплуатационных коэффициентов, близкие к действительным, могут быть получены путем анализа нагрузок электрической сети питания промышленных предприятий. Нагрузку электрической магистрали, питающей тот или иной цех, выбирают значительно меньшей, чем сумма номинальных мощностей электродвигателей, работающих в этом цехе.
Во избежание излишнего расхода меди при определении сечения проводов, подводящих электроэнергию в цех, учитывают неодновременность нагрузки потребителей, а также их недогрузку. Анализ нагрузок электрической сети питания заводов позволяет установить, что среднее значение коэффициента включения составляет ~ 0,3, а коэффициента загрузки ~ 0,37. Среднее значение коэффициента использования станка составляет ~ 12%. Все изложенное указывает на наличие больших ресурсов в области использования парка металлорежущих станков.
Отношение энергии Aрез, затраченной на процесс резания, к энергии A, потребляемой электродвигателем за время цикла, называют цикловым к. п. д. системы:
Он характеризует не только конструктивное совершенство станка и электродвигателя, но и рациональность выбранного технологического процесса с точки зрения расхода энергии и использования установленной мощности. Значения цикловых к. п. д. многих станков, работающих с продолжительными периодами холостого хода и значительной недогрузкой, малы (5—10%).
Недогрузка электродвигателей приводит к тому, что недостаточно возмещаются средства, вложенные в электродвигатели, электрическую силовую сеть и заводские подстанции. Вследствие недогрузки электродвигателей понижаются их к. п. д. и cosφ. Понижение к. п. д. приводит к непроизводительному расходу энергии. Понижение cosφ при потреблении неизменной активной мощности приводит к увеличению силы тока. При возрастании силы тока увеличиваются потери в сети и не полностью используется установленная мощность трансформаторов и генераторов.
Если на предприятии имеется много электродвигателей, работающих, с неполной нагрузкой, возрастает плата за электроэнергию, так как за каждый киловольт-ампер установленной на предприятии мощности трансформаторов взимается определенная плата, не зависящая от фактического потребления энергии. Кроме того, при пониженных значениях cosφ стоимость единицы израсходованной энергии возрастает.
По эксплуатационным коэффициентам включения и загрузки электродвигателей можно судить также об использовании оборудования и организации производства. Знание коэффициентов, характеризующих работу станка, способствует выявлению неиспользованных ресурсов станочного парка и организации рациональной эксплуатации станков.
Для контроля работы станков разработаны специальные приборы, одни из которых пристраивают к станкам, другие применяют для централизованного контроля цехов и производства в целом.
При всяком видоизменении процесса обработки в целях повышения производительности энергетические показатели станка и электропривода, как правило, повышают. Это относится к повышению скоростей резания, увеличению подач, совмещению переходов обработки, сокращению вспомогательного времени и пр. Эффективным средством увеличения энергетических показателей электропривода главного движения станков является автоматизация подвода и отвода инструмента, зажима заготовки, измерений и т. д.
Однако часто возможности такой рационализации технологических процессов ограничены. При обработке детали на станке должны быть обеспечены требуемая точность, чистота обработки и высокая производительность труда, что определяет вид обработки и режимы резания и заставляет производить черновые и чистовые операции с одной установки заготовки.
У станков, имеющих фрикционную муфту в цепи главного движения, часто используют так называемые ограничители холостого хода. Ограничителем холостого хода называют выключатель, который отключает электродвигатель, когда выключается фрикционная муфта. Такое отключение электродвигателя влечет за собой экономию активной и реактивной энергии. Однако при этом возрастает число пусков электродвигателя, что связано с некоторой дополнительной затратой энергии.
Кроме того, вследствие ухудшения охлаждения двигателя во время пауз, в некоторых случаях возможен его перегрев. И, наконец, при использовании ограничителя холостого хода, в связи с повышением числа включений электродвигателя, увеличивается износ аппаратуры. Указанные обстоятельства могут быть учтены посредством специальных расчетов. Удовлетворительные результаты дает автоматическое отключение электродвигателя при паузах больше определенной заданной длительности.
Существуют многочисленные специальные технические средства повышения cosφ электрических приводов. К ним относятся применение статических конденсаторов, включаемых параллельно двигателю, синхронизация асинхронных двигателей, замена асинхронных двигателей синхронными. Мероприятия по повышению энергетических показателей станков не получили широкого распространения.
Так как в большинстве случаев электроприводы станков общего назначения работают с длительными паузами, то сложная и дорогостоящая установка будет использоваться недостаточно, а поэтому и затраченные на нее средства будут возмещаться слишком долго. Наиболее распространена компенсация реактивной мощности в общецеховом или общезаводском масштабе. Для этих целей применяют батареи статических конденсаторов.